黄河下游引水引沙对输沙水量影响分析

李仁燕，于 洋，任若璇

（1.东营市水利灌溉管理处，山东 东营257091；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛266000）

当前，水资源短缺已经成为黄河流域经济和社会发展的瓶颈。输沙水量作为衡量输沙用水效率的一个重要指标，是维持河流系统功能健康的重要方面，构成生态需水量的主要部分[1]。

对于黄河下游河道，输沙水量不仅受上游来水来沙、边界状态等多方面的影响，还与下游河道要求控制的淤积水平等密切有关[2]。其中，来水来沙条件对河道输沙水量具有重要的影响。近几十年来，随着黄河流域社会经济的快速发展，沿黄引水引沙量逐年增大，造成水沙条件相应发生改变。不过，现今对于引水引沙改变水沙条件影响输沙水量的研究尚开展较少。本文在已有输沙水量研究成果的基础上，以黄河下游艾山—利津河段为研究对象，进一步分析研究河道引水引沙对输沙水量的影响。

1 输沙水量的定义与计算方法

输沙水量是指在一定水沙条件下，通过河流某一河段或断面输送单位重量泥沙进入下游所用的清水的体积，相应计算方法为：

式中：W′为输沙水量，m3/t；S 为河流过水断面含沙量，kg/m3；ρs为泥沙密度，kg/m3，一般取2 650 kg/m3。

大量实测资料分析表明，黄河下游河道泥沙输送具有“多来多淤多排”的特点，沿程某一过水断面含沙量可以采用考虑上站来水含沙量的幂律函数进行表示[3]：

式中，S 为出口断面含沙量，kg/m3；Q 为出口断面流量，m3/s；S0为进口断面含沙量（当有引水引沙情况时，采用来沙量减区间引沙量与来水量减区间引水量的比值进行修正），kg/m3；K 为输沙系数；a、b 分别为输沙指数。

结合式（1）、（2），可以看出，对于某一具体河段，当上游来水来沙条件发生变化时，相应也会对输沙水量产生影响。

2 黄河下游艾利河段水沙变化过程

图1～4 分别为黄河下游艾山—利津河段进口水文站艾山站1960—2015 年来水来沙量、河段区间引水引沙量以及出口利津站输沙水量变化过程。可以看出：20 世纪60 年代以来，黄河下游艾山站年径流量与输沙量总体呈现出不断减少的趋势，但输沙量减小幅度要大于径流量减小幅度；区间引水引沙变化以90 年代为界，90 年代前引水引沙量不断增大，90 年代后引水量略有减小，引沙量也有所减小，但引沙量减小幅度要大于引水量减小幅度。统计90 年代艾利河段引水量占来水量的比值可以高达26.9%，引沙量占来沙量的比值达到15.04%。这表明，河道引水引沙对来水来沙条件已经造成重要的影响。受河段水沙条件及其组合变化的影响，出口利津站输沙水量在90 年代后呈现出急剧增大的趋势。

图1 黄河下游艾山站来水来沙量变化

图2 黄河下游艾利河段引水引沙过程

图3 黄河下游艾利河段引水引沙比统计

3 引水引沙影响输沙水量分析

根据黄河下游艾山、利津两站多年长序列实测水沙及引水引沙资料，考虑河段区间引水引沙对河段来水含沙量S0进行修正。通过多元回归，得到出口利津站年均含沙量计算表达式为：

图4 黄河下游利津站输沙水量变化过程

式中，Slj为利津站年均含沙量，kg/m3；Qlj为利津站年均流量，m3/s；Sas为河段年均来水含沙量（艾山站来沙量减引沙量与来水量减引水量的比值），kg/m3。

图5 为式（3）计算得到的利津站年均含沙量与实测年均含沙量的对比情况。可以看出：计算值与实测值基本位于45°线附近，相关系数R2达到0.94，两者符合良好。

图5 利津站年均含沙量计算值与实测值对比情况

基于式（3），假定河段区间无引水引沙情况下，计算出利津站年均含沙量，并结合式（1）进一步计算利津站的输沙水量，如图6 所示。

图6 有无引水引沙情况下艾利站输沙水量变化情况

其中，河段区间无引水引沙情况下，来水含沙量S0即为艾山站来沙量与来水量的比值，流量Q 采用艾山站年均流量。统计不同时段艾利河段引水引沙影响输沙水量结果见表1。

表1 黄河下游艾利河段引水引沙影响输沙水量统计表

4 结 论

1）根据输沙水量定义与计算方法，对黄河下游艾利河段利津站输沙水量变化过程进行了计算。结果表明，20 世纪60 年代以来，黄河下游艾利河段受来水来沙量不断减少及引水引沙量不断增大影响，出口利津站输沙水量总体呈现出持续增大的趋势，并在90 年代后急剧增大。

2）对黄河下游艾利河段有无引水引沙情况下利津站输沙水量变化过程进行了比较计算。结果表明，1960—2015 年期间，黄河下游艾利河段在无、有引水引沙情况下年均输沙水量分别约为87.39 m3/t、84.65 m3/t。引水引沙造成用于输送单位重量1 t 泥沙的水量减少约2.73 m3，河道增淤约为7.72 亿t。